CN106001570A - 一种一体化3d激光打印多组件制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种一体化3D激光打印多组件制备方法，包括如下步骤：1)材料准备阶段：根据多组件金属粉末种类的设计要求，将不同金属粉末按配比使用混粉机进行充分均匀混合；2)3D打印阶段：在增材制造机床的成形室内，对全部部件进行数模摆放；计算机控制系统控制3D打印机送粉与熔覆喷头的位置和粉筒的送粉速率和送粉量，启动激光器和惰性气体保护气体供气装置，逐层进行激光熔覆沉积成形，形成一体化多组件成形件；3)成形件后处理阶段。其具有方法步骤设计合理，有效解决多组件零件一体化设计与制造的问题，提高生产作业效率，降低产品加工制造的成本，节约时间，同时还减少对环境的污染等优点。

Description

一种一体化3D激光打印多组件制备方法
技术领域
本发明涉及多组件机械零件增材制造技术领域，尤其涉及一种一体化3D激光打印多组件制备方法。
背景技术
传统的零件制造加工方法需要对原材料经过切削、锻打、弯曲等繁琐工序进行制作并组装，耗费大量的人力、物力，作业效率低，精度无法得到更好的保障。通常，数控加工机床在机械零件生产过程中所产生的工艺性损耗以及非工艺性损耗是非常严重的，而且消耗的工时直接与零件的加工复杂程度相关。同时，利用数控加工机床进行机械加工均为减材制造，所以无法实现不同组件的一体化成形制造。国内外3D打印技术日趋成熟，目前已经可以利用金属粉末通过逐层添加的方式进行加工生产，得到成形件已经投入生产，这给我们的装备制造业提供了许多的全新思路与方向。但是3D打印的产品也存在缺陷：例如使用强度上还有待提升，对于零件制造时不能多组件同时加工。因此，对于多组件的机械零件，提出一种能够实现不同组件的一体化制造的制备方法具有重要的研究意义。
发明内容
针对现有技术中机械零件加工方法存在的上述不足，本发明的目的在于：提供一种一体化3D激光打印多组件制备方法，其具有方法步骤设计合理，有效解决了多组件零件一体化设计与制造的问题，提高了生产作业效率，降低了产品加工制造的成本，同时还减少了对环境的污染等优点。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案实现：
一种一体化3D激光打印多组件制备方法，其中，多组件包括至少2个部件且均适用于增材制造技术，该处理方法包括如下步骤：
1)材料准备阶段：根据多组件金属粉末种类的设计要求，将不同金属粉末按配比使用混粉机进行充分均匀混合，并将混合后的粉末放置在100-200℃的烘干箱中进行烘干1-1.5小时处理；将烘干处理后的复合粉末放置在3D打印机送粉器的粉筒中留作备用，其中金属粉末的粒径为50-300μm；
2)3D打印阶段：在增材制造机床的成形室内，根据多组件的全部部件设计安装时的连接关系，按照“首先摆放相互套嵌的部件、再摆放三维尺寸较大的部件、最后将尺寸较小的部件摆放在剩余空间内的原则”对全部部件进行数模摆放；在摆放时选定各组件的基准面和最佳水平方向；对于相互套嵌的部件确定最小可隔离区域及最小间隔，如10-50μm；利用计算机上CAD三维制图软件分别对多组件的全部部件的STL三维模型同时进行切片分层处理，层厚为0.1-5mm；计算机控制系统控制3D打印机的喷头在X、Y、Z三轴上运动，运动轨迹与每个切片分层图形一致；计算机控制系统控制3D打印机送粉器喷头的位置和粉筒的送粉速率和送粉量、启动激光器和惰性气体保护气体供气装置，对所述的逐层切片分层进行激光熔覆沉积成形，完成所有切片分层的激光熔覆成形，形成一体化多组件成形件；
3)成形件后处理阶段：将一体化多组件成形件进行热处理、抛光和机加处理。对于上述已确定最小可隔离区域及最小间隔的相互套嵌的部件，制定其抛光和精密机加处理的工艺流程，以达到用户对零件的加工精度和表面质量的要求。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的激光熔覆时激光器采用CO2激光器，其中该激光器的具体参数为：功率P＝1000-5000W，光斑直径D＝2-8mm，扫描速度V＝2-3m/min，搭接率为30-40％。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的金属粉末为Fe、Ni、Co、Zn、Al、Cr、Ti中的一种或者组合。
作为上述技术方案的进一步改进，上述步骤3)中的送粉采用同轴送粉或者非同轴侧向送粉方式。
作为上述技术方案的进一步改进，在上述步骤3)中，成形件后处理阶段还包括对于相互套嵌的部件设计并制造隔离支架，以期达到这类部件能够很好地进行热处理、抛光及精密机加处理；后处理完成后，需要对标准试样的承受力接触面进行应力分析，保证所有部件达到其机械性能。
与现有技术中的机械零件加工方法相比，采用本发明一种一体化3D激光打印多组件制备方法具有如下有益效果：
(1)制备方法在步骤上更简单、更合理，可靠性高，有效解决了多组机械零件一体化设计、加工、制造的问题，生产效率大大提高。
(2)在制造过程中，利用3D激光打印设备与软件控制系统相结合，成形件的精度有保证，机械性能也能得到提高。
(3)降低了企业生产成本，同时还保护环境，具有较好的推广及应用空间。
附图说明
附图1为本发明一种一体化3D激光打印多组件制备方法的简单流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明一种一体化3D激光打印多组件制备方法的具体步骤作以详细说明。
一种一体化3D激光打印多组件制备方法，其中，多组件包括至少2个部件且均适用于增材制造技术，该处理方法包括如下步骤：
1)材料准备阶段：根据多组件金属粉末种类的设计要求，将不同金属粉末按配比使用混粉机进行充分均匀混合，并将混合后的粉末放置在100-200℃的烘干箱中进行烘干1-1.5小时处理；将烘干处理后的复合粉末放置在3D打印机送粉器的粉筒中留作备用，其中金属粉末的粒径为50-300μm；
2)3D打印阶段：在增材制造机床的成形室内，根据多组件的全部部件设计安装时的连接关系，按照“首先摆放相互套嵌的部件、再摆放三维尺寸较大的部件、最后将尺寸较小的部件摆放在剩余空间内的原则”对全部部件进行数模摆放；在摆放时选定各组件的基准面和最佳水平方向；对于相互套嵌的部件确定最小可隔离区域及最小间隔，如10-50μm；利用计算机上CAD三维制图软件分别对多组件的全部部件的STL三维模型同时进行切片分层处理，层厚为0.1-5mm；计算机控制系统控制3D打印机的喷头在X、Y、Z三轴上运动，运动轨迹与每个切片分层图形一致；计算机控制系统控制3D打印机送粉器喷头的位置和粉筒的送粉速率和送粉量、启动激光器和惰性气体保护气体供气装置，对所述的逐层切片分层进行激光熔覆沉积成形，完成所有切片分层的激光熔覆成形，形成一体化多组件成形件；
3)成形件后处理阶段：将一体化多组件成形件进行热处理、抛光和精密机加处理。对于上述已确定最小可隔离区域及最小间隔的相互套嵌的部件，制定其特定的抛光和机加处理的工艺流程，以达到用户对零件的加工精度和表面质量的要求。
所述的激光熔覆时激光器采用CO2激光器，其中该激光器的具体参数为：功率P＝1000-5000W，光斑直径D＝2-8mm，扫描速度V＝2-3m/min，搭接率为30-40％。
所述的金属粉末为Fe、Ni、Co、Zn、Al、Cr、Ti中的一种或者组合。
所述的上述步骤2)中的送粉采用同轴送粉或者非同轴侧向送粉方式。
所述的上述步骤2)中对全部部件进行数模摆放时，需要对各部件在使用时的摩擦接触面进行定义，包括：承受作用力接触面(该接触面需要考虑作用力的方向、大小及有效值)、无缝隙的接触面(该接触面需考虑其尺寸精度和与之相接触的另一个零件的表面的公差及配合)、留有缝隙的接触面(该接触面需考虑缝隙间可建立油润滑膜及油膜厚度)、自由接触面；其中，该承受作用力接触面为相邻部件相互传递力的紧密接触面，自由接触面为无接触面。另外两类接触面是属于两种情况之间的接触面。
所述的上述步骤3)中成形件后处理阶段还包括对于相互套嵌的部件设计并制造隔离支架，以期达到这类部件能够很好地进行热处理、抛光及精密机加处理；后处理完成后，需要对标准试样的承受力接触面进行应力分析，保证所有部件达到其机械性能。
在本发明制备方法中，如何摆放在设计安装上连接关系具有相关性的部件其实是非常关键的问题。为此，本发明提出数模摆放原则中：
i)首先摆放相套嵌的零件，因为它们不能够相互分离，只能采取一体化制造的方式，这也体现了本发明的最重要的特色；
ii)然后摆放三维尺寸均较大的零件，因为这可以确定所有这些零件到底应当分几次直接制造；
iii)最后将尺寸较小的零件用尽可能挤塞的方式摆放在尚剩余的空间内。
本发明的制备方法中，对于多组件零件的各接触面存在如下几种类型，对此加以区分也是本发明的重要特色：
i)在功能上是承受很大作用力的接触面，此类表面需要放在重要地位来考虑；
ii)接触面属于无缝隙的接触面，此类表面应当着重考虑其尺寸精度及表面质量，以及与之相接触的另一个零件的表面的公差及配合；
iii)接触面留有缝隙，但是，需要在有润滑剂存在的情况下运行，此类表面应当具有使得润滑剂可以进出的空隙存在，考虑其配合应当为非紧配合；接触面可以存留一定大小的空隙，便于零件在装配时可以较容易，此类表面称为一般性表面，可按照一般的工艺参数进行制造；
iv)零接触面，或者自由表面，此类表面只需达到一般的精度即可。
对于激光熔覆时的工艺参数的确定，要按照分类中工艺要求最高者安排制造过程。
本发明在对多组件零件一体化直接制造之后，进行适宜的后处理，以便获得具有足够精度的机械零件。其中，对于含不同类型的接触面的零件，选取特定的后处理工艺，具体的处理方法如上。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种一体化3D激光打印多组件制备方法，其中，多组件包括至少2个部件且均适用于增材制造技术，其特征在于，该处理方法包括如下步骤：
1)材料准备阶段：根据多组件金属粉末种类的设计要求，将不同金属粉末按配比使用混粉机进行充分均匀混合，并将混合后的粉末放置在100-200℃的烘干箱中进行烘干1-1.5小时处理；将烘干处理后的金属粉末放置在3D打印机送粉器的粉筒中留作备用，其中金属粉末的粒径为50-300μm；
2)3D打印阶段：在增材制造机床的成形室内，根据多组件的全部部件设计安装时的连接关系，按照“首先摆放相互套嵌的部件、再摆放三维尺寸较大的部件、最后将尺寸较小的部件摆放在剩余空间内的原则”对全部部件进行数模摆放；在摆放时选定各组件的基准面和最佳水平方向；对于相互套嵌的部件确定最小可隔离区域及最小间隔，如10-50μm；利用计算机上CAD三维制图软件分别对多组件的全部部件的STL三维模型同时进行切片分层处理，层厚为0.1-5mm；计算机控制系统控制3D打印机的喷头在X、Y、Z三轴上运动，运动轨迹与每个切片分层图形一致；计算机控制系统控制3D打印机送粉器喷头的位置和粉筒的送粉速率和送粉量、启动激光器和惰性气体保护气体供气装置，对所述的逐层切片分层进行激光熔覆沉积成形，完成所有切片分层的激光熔覆成形，形成一体化多组件成形件；
3)成形件后处理阶段：将一体化多组件成形件进行热处理、抛光和机加处理；对于上述已确定最小可隔离区域及最小间隔的相互套嵌的部件，制定其抛光和精密机加处理的工艺流程，以达到用户对零件的加工精度和表面质量的要求。
2.根据权利要求1所述的一种一体化3D激光打印多组件制备方法，其特征在于：所述的激光熔覆时激光器采用CO2激光器，其中该激光器的具体参数为：功率P＝1000-5000W，光斑直径D＝2-8mm，扫描速度V＝2-3m/min，搭接率为30-40％。
3.根据权利要求1所述的一种一体化3D激光打印多组件制备方法，其特征在于：所述的金属粉末为Fe、Ni、Co、Zn、Al、Cr、Ti中的一种或者组合。
4.根据权利要求1所述的一种一体化3D激光打印多组件制备方法，其特征在于：上述步骤3)中的送粉采用同轴送粉或者非同轴侧向送粉方式。
5.根据权利要求1所述的一种一体化3D激光打印多组件制备方法，其特征在于：在上述步骤3)中，成形件后处理阶段还包括对成形件机械性能检测，其中机械性能包括耐磨性、耐蚀性；在进行热处理、抛光和机加处理时，还设置有与一体化组件成形件相配合的隔离支架。
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